1.9: 이상적인 가스 법

1. 샘플의 부피 측정

1. 샘플을 주의 깊게 청소하고 건조시다.
2. 고해상도 졸업 실린더를 샘플을 덮을 수 있을 만큼 충분한 증류수를 채웁니다. 초기 볼륨 에 유의
3. 샘플을 물에 떨어뜨리고 볼륨 변화에 유의하십시오. 이것은 샘플, V의 부피입니다.
4. 샘플을 제거하고 건조. 참고: 또는 샘플의 측면 길이를 측정하고 형상을 사용하여 볼륨을 계산합니다.

2. 저울에 샘플을 로드합니다.

1. 마그네틱 서스펜션 밸런스에 샘플을 걸어 놓습니다.
2. 샘플 주위에 압력/온도 챔버를 설치합니다.
3. 시료 환경을 대피시키고 수소 가스로 리필하여 1bar로 리필합니다.
4. 샘플 중량을 1bar 및 실온에서_{측정합니다.}

3. 실온에서 압력의 함수로 샘플 무게를 측정

1. 샘플 환경에서 P_i0으로압력을 증가하거나 감소시다.
2. 샘플 환경이 평형화되도록 합니다.
3. 샘플의 무게를 측정, w_i0.
4. 3.1-3.3을 여러 번 반복합니다.

4. 다양한 온도에서 압력의 함수로 샘플 무게를 측정

1. 온도를 T_j로 설정하고 평형할 수 있도록 합니다.
2. 수소 가스의 압력을 1bar로 설정합니다.
3. 샘플 중량을 1bar 및 T_j,w_{0j에서 측정합니다.}
4. P_ij로 압력을 증가 또는 감소시키고 평형화할 수 있도록 합니다.
5. 샘플의 무게를 측정, w_ij.
6. 4.4-4.5를 여러 번 반복하십시오.
7. 원하는 대로 4.1-4.6을 반복하십시오.

5. 이상적인 가스 상수 계산

1. P_0j가 항상 1 bar이고_T 0이 측정된 실온인 경우 측정값 {T_j,P_ij및 w_ij}를표로 합니다.
2. 방정식 6 및 방정식 7을사용하여 각 온도 T_j에서 Δw_ij 및 ΔP_ij의 차이를 계산하고 표로 합니다.
   Δw_ij = w_ij - w_0j (방정식 6)
   Δw_ij = P ij - P_0j = P_ij - 1 막대(방정식 7)
3. 각 측정에 대한 R_ij를 계산하고, 모든 값에 대한 평균을 결정하기 위해 이상적인 가스 상수를 결정하고, R. 대안적으로, ΔP ij 및 V의 생성물을 Δw_ij의 생성물의 함수로서 플롯(분자량, MW로 나눈) 및 T_j,경사, R.(수학 8 및 9)수소, MW=2.01g의 경우 선형 회귀 분석을 수행한다.
   ΔP V = Δ nRT (방정식 8)
   (방정식9)

이상 기체 법칙은 주변 조건에 가까운 조건에서 가장 일반적인 가스의 거동을 설명하기 때문에 과학에서 근본적이고 유용한 관계입니다.

이상 기체 법칙 PV=nRT는 닫힌 시스템에서 기체 분자의 수와 측정 가능한 세 가지 시스템 변수(압력, 온도 및 부피) 사이의 관계를 정의합니다.

이상 기체 법칙은 몇 가지 가정에 의존합니다. 첫째, 기체 분자의 부피가 무시할 수 있을 정도로 작다는 것입니다. 둘째, 분자는 뉴턴의 운동 법칙을 따르는 단단한 구체로 행동합니다. 그리고 마지막으로, 분자 사이에 분자 간 인력이 없다는 것입니다. 그들은 탄성 충돌을 통해서만 서로 상호 작용하므로 운동 에너지에는 순 손실이 없습니다. 가스는 고압에서 이러한 이상적인 거동에서 벗어나 가스 밀도가 증가하고 가스 분자의 실제 부피가 중요해집니다. 마찬가지로, 가스는 매우 낮은 온도에서 벗어나며, 이때 매력적인 분자간 상호 작용이 중요해집니다. 더 무거운 가스는 더 높은 밀도와 더 강한 분자간 상호 작용으로 인해 주변 온도와 압력에서도 벗어날 수 있습니다.

이 비디오는 온도와 압력의 함수로 가스의 밀도 변화를 측정하여 이상 기체 법칙을 실험적으로 확인합니다.

이상 기체 법칙은 네 가지 중요한 관계에서 파생됩니다. 첫째, 보일의 법칙은 기체의 압력과 부피 사이의 반비례 관계를 설명합니다. 다음으로, Gay-Lussac의 법칙에 따르면 온도와 압력은 비례합니다. 마찬가지로 Charles의 법칙은 온도와 부피 사이의 비례를 나타내는 진술입니다. 이 세 가지 관계는 여러 다른 조건에서 단일 가스를 비교할 수 있는 결합 가스 법칙을 형성합니다.

마지막으로, 아보가드로는 같은 부피, 온도 및 압력으로 유지되는 두 가스가 동일한 수의 분자를 포함한다는 것을 확인했습니다. 동일한 조건의 가스는 일반적으로 동일하게 행동하기 때문에 보편적 가스 상수라고 하는 비례 상수? (R)는 이러한 매개 변수를 관련시켜 다른 가스를 비교할 수 있습니다. R은 분자 당 온도 당 에너지 단위를 가지고 있습니까? 예를 들어, joules per kelvin per mole입니다.

이상 기체 법칙은 기체 시스템의 상태 관계를 이해하는 데 유용한 도구입니다. 예를 들어, 온도와 압력이 일정한 시스템에서 더 많은 가스 분자를 추가하면 부피가 증가합니다.

마찬가지로, 분자를 더하거나 빼지 않는 폐쇄 시스템에서 일정한 온도에서 부피가 감소하면 기체의 압력이 증가합니다.

자기 서스펜션 저울은 시스템의 물리적 특성을 측정하여 실험적으로 이상 기체 법칙을 확인하는 데 사용할 수 있습니다. 일정한 질량과 부피를 가진 고체 샘플의 무게는 주변 가스의 특성에 대한 프로브 역할을 할 수 있습니다.

시스템의 압력이 증가함에 따라 일정한 시스템 부피와 온도에서 시스템의 가스 분자의 양이 증가하여 가스 밀도가 증가합니다. 이 가스에 잠긴 단단한 고체 샘플은 부력의 영향을 받으며 질량은 변하지 않지만 겉보기 중량은 감소합니다. 가스 밀도의 변화는 물체 무게의 변화가 변위된 가스의 무게 변화와 같다는 아르키메데스 원리 때문에 결정될 수 있습니다.

서로 다른 압력 및 온도 조건에서 기체 밀도의 정확한 거동은 앞서 설명한 근사치가 사실인 경우 이상 기체 법칙에 해당하여 범용 기체 상수 R.

다음 일련의 실험에서는 마이크로 저울을 사용하여 이상 기체 법칙을 확인하고 범용 기체 상수를 결정합니다. R, 수소의 밀도를 온도와 압력의 함수로 측정하여. 먼저 샘플(이 경우 아세톤으로 미세하게 가공된 알루미늄 블록)을 조심스럽게 세척하고 건조시킵니다. 눈금이 매겨진 실린더에 샘플을 덮을 수 있을 만큼 충분한 증류수를 채워 샘플의 부피를 측정합니다. 초기 볼륨을 기록해 둡니다. 샘플을 물에 담그고 부피 변화를 확인합니다.

샘플을 제거하고 조심스럽게 세척하고 건조시킵니다. 다음으로, 마그네틱 서스펜션 저울(이 경우 글로브 박스 내부에 있음)에 로드합니다. 샘플 주위에 압력-온도 챔버를 설치합니다. 샘플은 이제 닫힌 시스템에 자기적으로 매달려 있으며 벽에는 닿지 않습니다.

샘플 환경을 비우고 1bar의 압력으로 수소 가스를 다시 채웁니다.

샘플 중량을 측정하고 실온에서 초기 중량으로 표시합니다. 다음으로, 샘플 환경의 압력을 2bar로 높이고 평형을 이룹니다. 새 압력에서 무게를 측정합니다. 여러 압력에서 이 단계를 여러 번 반복하여 모두 실온에서 해당 압력에서 일련의 샘플 중량을 획득합니다.

다음으로, 더 높은 온도에서 압력의 함수로 무게를 측정합니다. 먼저 샘플 환경을 대피시킨 다음 온도를 150도로 높입니다. C를 만들고 평형을 이루도록 합니다. 그런 다음 압력을 1bar로 높입니다. 샘플 중량을 측정하고 150 에서 초기 중량으로 표시합니다. C 및 1 바. 압력을 높이고, 평형을 이루도록 하고, 무게를 측정합니다. 다양한 압력에서 일련의 시료 중량을 측정하기 위해 이 단계를 반복합니다. 더 많은 데이터를 얻으려면 다른 일정한 온도와 압력에서 일련의 중량 측정을 반복하십시오.

이상 기체 상수를 계산하려면 각 온도와 압력에서 샘플 중량의 측정값을 표로 만듭니다.

다음으로, 단일 온도 세트 내에서 모든 샘플 중량 쌍 간의 차이를 계산하여 압력 변화 또는 ?w의 함수로 중량 변화의 가능한 모든 조합을 얻습니다. 이 변화는 샘플에 의해 변위된 수소 가스의 무게 변화와 동일합니다.

마찬가지로, 압력의 변화를 얻기 위해 해당하는 모든 압력 차이를 계산하거나 ?P. 각 온도에 대한 중량 및 압력의 모든 변화 쌍을 표로 만듭니다. 온도 단위를 켈빈으로 변환하고 압력 단위를 파스칼로 변환합니다.

부피와 온도는 각 측정 시리즈에 대해 일정하게 유지되기 때문에 이상 기체 법칙은 다음과 같이 작성할 수 있습니다. PV=?nRT입니다. ?n은 ?w를 수소의 분자량으로 나눈 값과 같기 때문에 ?w의 각 값에 대해 ?n의 각 값을 계산합니다.

압력 변화와 샘플 부피의 곱을 ?n과 온도의 곱의 함수로 플롯합니다. 선형 회귀 분석을 수행하여 기울기를 결정하며, 이 기울기는 올바르게 수행된 경우 범용 기체 상수와 같습니다.

이상 기체 방정식은 일반적으로 주변 온도 및 압력에서 가스로 수행되는 많은 실제 시나리오에서 사용됩니다. 모든 가스는 고압에서 이상적인 동작에서 벗어납니다. 그러나 이산화탄소와 같은 일부 가스는 다른 가스보다 더 많이 벗어납니다. 이 실험에서는 이산화탄소 가스에 대해 이상적인 동작과의 편차를 측정했습니다. 이 절차는 수소로 수행된 이전 실험과 동일했습니다.

압력 시간 부피 대 몰 시간 온도의 플롯이 표시되고, 플롯의 기울기에서 계산 된 이상 기체 상수가 표시되었습니다. 이산화탄소는 주변 조건에서도 이상적인 거동에서 크게 벗어났습니다. 이 거동은 수소에서는 관찰되지 않은 매력적인 분자간 상호 작용에 의해 발생했습니다.

이상 기체 법칙은 공기 샘플에서 폭발성 가스를 식별하고 정량화하는 데 사용됩니다. 이 연구 분야는 군사 및 안보에 매우 중요합니다.

여기에서 가스 샘플의 폭발성 성분은 온도 탈착 가스 크로마토그래피를 사용하여 정량화되었습니다. 그런 다음 데이터와 이상 기체 법칙을 사용하여 이러한 위험 물질을 정량화했습니다.

방금 JoVE의 이상 기체 법칙 소개를 시청했습니다. 이 비디오를 시청한 후에는 법률의 개념과 방정식이 적용되는 상황을 이해해야 합니다.

시청해 주셔서 감사합니다!